Nonostante la limitata estensione e il relativo isolamento biogeografico dell'area protetta, l'intricata vegetazione e la compresenza di habitat e biotopi differenziati permettono la sopravvivenza di un popolamento faunistico ancora importante nella considerazione di un ambiente aggettivamente marginale. Scomparso dil grande patrimonio faunistico dei grandi spazi naturali del passato, devastati e trasformati in un paesaggio di cemtno, sottoposto ad una incessante attività venatoria, il mondo animale si è drasticamente ridotto in termini di biodiversità trovando, per le specie meno esigenti, rifugio proprio in questi settori protetti residuali. Gli invertebrati sono rappresentati da molte specie in relazione ai diversi habitat presenti; dai coleotteri scarabeidi come gli stercorari (Scarabeus semipunctatus) ai coleotteri buprestidi e coleotteri cerambicidi che frequentano la macchia mediterranea.
Sule fioriture di cisto non è raro osservare il Paratriodonta romana uno scarabeide endemico del litorale laziale. Gli imenotteri aculeati, come i Bembex scavano i nidi nelle pareti sabbiose e sono le prede preferite dei gruccioni che nidificano nelle stesse falesie. Il bosco con i suoi tronchi marcescenti fornisce nutrimento a specie xilofaghe, insetti che specialmente allo stato larvale si nutrono del legno in decomposizione o anche vivo, come le grandi larve dello scarabeo rinoceronte (Oryctes nasicornis).
L'erpetofauna (rettili e anfibi) è rappresentata da alcune specie che stanno vivendo una fase di vitale recupero in seguito alla riqualificazione ambientale a cui è stata sottoposta la riserva. Gli ambienti umidi, stagni, zone umide e corsi d'acqua ospitano numerose specie come la biscia dal collare (Natrix natrix), la testuggine palustre (Emys orbicularis), la raganella (Hyla arborea), la rana agile (Rana dalmatina), la rana verde (Rana esculenta) oltre al rospo comune (Bufo bufo) e il rospo smeraldino (Bufo viridis). Nel sottobosco della macchia e della lecceta vive il biacco (Hierophis viridiflavus), il raro colubro liscio (Coronella austriaca), il ramarro (Lacerta viridis), la lucertola campestre (Podarcis sicula), la lucertola muraiola (Podarcis muralis). In seguito a recuperi locali è stata reintrodotta la testuggine comune (Testudo hermanni) estinta nell'area intorno al 1970 in conseguenza del disturbo antropico operato dal campeggio.
L'avifauna che comprende specie stanziali e migratorie è rappresentata dal popolamento caratteristico delle foreste litoranee e da un nutrito contingente di migratori in quanto l'area, posta lungo le rotte migratorie impostate su uno dei corridoi tirrenici principali, costituisce un piccolo ma prezioso rifugio per la sosta. Il merlo, il pettirosso, lacapinera, l'occhiocotto, la cinciallegra, la cinciarella, il colombaccio, il verdone, lo scricciolo, il fiorrancino, il codibugnolo, il fringuello, il cardellino, lo zigolo nero, il verzellino, il luì piccolo, la cappellaccia, il rampichino, il picchio muratore sono alcune delle specie che frequentano il fitto della macchia. Durante il passo sono molte le specie che possono essere osservate: il pigliamosche, l'upupa, la tortora da collare orientale, il cuculo, l'usignolo, la beccaccia, la quaglia, le balie, il beccafico ed altre ancora. Le pareti sabbiose delle antiche dune e gli ambienti denudati delle vecchie miniere sono colonizzati dal gruccione che nidifica con una vitale e numerosa popolazione.Temporaneo ed occasionale rifugio a specie tipiche delle zone umide è offerto dai localizzati ambienti ripariali e dagli stagni; sono state osservate in questi luoghi molte specie talvolta poco comuni come il cavaliere d'Italia, l'airone rosso, l'avocetta, il tarabusino. I rapaci sono rappresentati dal gheppio, nidificante, dalla poiana e da occasionali apparizioni del falco pellegrino, del nibbio bruno e del grillaio. Alcune rarità frequentano l'area protetta come la ghiandaia marina e il merlo acquaiolo segnalato alla fine degli anni '80 nel greto del fosso della Vignarola. Nel 2003 è stato osservato un gufo reale stazionare nella riserva per oltre una settimana; si è trattato con tutta probabilità di un esemplare erratico, proveniente dalla Tenuta Presidenziale di Castelporziano dove sono state effettuate reintroduzioni del grande strigiforme. Sulla costa si osservano il voltapietre, la beccaccia di mare, i corrieri mentre dall'alto della falesia con un binocolo si possono scorgere in mare il cormorano, la sula, a sterna beccapesci e lo smergo. La riserva ha attivato un centro di recupero e di prima assistenza della fauna selvatica che opera in collaborazione con il Corpo di Polizia Provinciale di Roma, il Corpo Forestale dello Stato, il WWF e la LIPU presso il cui centro del Bioparco di Roma vengono trasferiti gli esemplari feriti. Questa attività consente la reintroduzione in natura degli animali sopravvissuti. La frequenza elevata degli interventi di recupero effettuati durante la stagione venatoria denota purtroppo la diffusa pratica del bracconaggio nel territorio sula fauna protetta.i mammiferi risentono dell'isolamento biogeografico della riserva, fattore che da determinato l'estinzione locale di specie ancora largamente presenti in aree dalle caratteristiche ecologiche simili come l'istrice (scomparso a fine anni '60 ma presente attualmente in aree vicine, come Lido dei Gigli), il cinghiale. La donnola, la talpa romana, il moscardino, il topo selvatico, il mustiolo, il riccio e i ratti (Rattus rattus e Rattus norvegicus) sono specie che frequentano tutti gli ambienti della riserva, alcune più legate alla presenza umana altre più esclusive.
Recentemente è stata riscontrata la presenza del tasso che ha ricolonizzato l'area dopo l'estinzione locale avvenuta negli anni '60.
